射频 微波天线技术探微文档格式.docx

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请注意，被动组件是包含在此通讯系统或被测组件里面，有时此被测组件也被称作「网络的真正终端装置（actualterminalsofanetwork）」。

例如：

一个单纯电阻的「噪声温度」就是此电阻的真正温度；

但是，一颗二极管的「噪声温度」可能是此二极管（真正的终端装置）的真正温度（接脚测量到的温度）之数倍之多。

噪声温度是以绝对温度（-273oC）为零度，单位是K（Kelvin）。

天线类型

辨别下列数种分类法有助于为天线分类：

*辐射元素

*反射器天线

*辐射元素数组

辐射元素包括：

*产生外场的电流天线

*拥有特定场分布的孔径天线（apertureantenna）

电流天线

电流天线的形式包含了：

*线形双极（wiredipoles）

*线形单极（wiremonopoles）

*线形环路（wireloops）

*螺旋辐射器（helicalradiators）

*槽型天线（slotantenna，双线形天线）

*微带补片天线（microstrippatchantenna）

共振半波双极

线形双极具有普遍的外型与大小，如下图所示：

双极是双极数组的基本元素，一个圆柱状双极（cylindricaldipole）是大约在l=0。

95（λ/2）处共振。

一个双极近共振的馈点电抗，大约与缩短过的四分之一波长的Z0=1000奥姆之电线相同。

等效传输的阻抗是天线大小的函数，如下图所示：

取得共振（X=0），从正确的半波长缩短之百分比，显示如下。

逐步缩减半径（step-tapered）之双极天线的自我阻抗，是和双极元素直接相关，这是由「套迭式管（telescopingtubing）」构成，如下图。

套迭式管是一种使用在较大型天线中的物理设计，能在不产生过度风阻和增加额外重量的情况下，提供机械强度。

一般来说，圆柱状双极的全长具有相同的共振频率，而且一个渐缩的双极（tapereddipole）之电抗的斜率曲线，实质上是比较短的。

亦即，一个逐步缩小的双极天线之全长必须要比较长一点，以达到相同的共振。

为这个计算所导出的算法是一些参考书籍的主题，不在本文中谈论。

可以利用这个算法来设计八木（Yagi）天线，在数值分析软件中，就含有这个算法。

线形单极

双极的一半，一个四分之一波长单极天线具有辐射电阻R=36奥姆，可在「半无限导电接地面（semi-infiniteconductinggroundplane）」上运作，如下图所示。

如果接地面积远小于一个波长（例如：

一支单极天线安装在一辆车上），则其天线场型与自完整的接地面积所计算出的场型相比，是大不相同的。

螺旋天线

螺旋天线是由克拉斯（Kraus）所创造，他曾说过一个有趣的故事，关于他如何在听到史丹佛大学教授谈到螺旋传递的波管（wavetube）时，领悟到相同的慢波结构可能具有和天线一样的收集讯号（signal-gathering或gain）的能力。

他当天便在他的地下室（实验室）里测试了此种螺旋天线，并测量出它的增益与「圆形极化（circularpolarization）」。

螺旋天线很简单但非常有效，它以简易的辐射体结构来提供增益。

下图是其尺寸的实例：

为了完整的运作，周长必须是0.75<

Cλ=πDλ<

1.33。

俯仰角是α=tan-1（Sλ/Cλ）。

增益值大约是GdBi=11.8+10log（Cλ2nSλ），而HPBW=52/Cλ

度。

中央馈线的馈点电阻是R=140Cλ，周围馈线是R=150/

。

周围馈线可被匹配至Z0=50奥姆，这是利用第一螺旋的四分之一波段，它可以是介电质负载型（dielectric-loaded）或平坦型，并推挤靠近接地面，以形成一个匹配段，为四分之一波段得到必需且平均的Z0值。

螺旋天线固定电路板上的实例如下图：

槽型天线

槽型天线是藉由中止射频电流流进一个导电表面（例如：

波导墙）所制成的。

槽型天线是两个双极天线，且有相似的阻抗与场型。

微带补片天线

微波补片天线是平面天线（planarantenna）的一个实用种类，它是在微带结构中制成，如下图所示。

正方形面板区域（上图白色部分）是从一介电质结构的顶层面板（上图黑色部分）蚀刻而来的，此介电质结构的另一面（底部）有一接地平面。

补片天线本质上是一矩形双极。

使用高介电质常数的材料来减少天线的大小。

此天线在任何环境下，都很容易安装，它能轻易地安装在车辆或飞机的表面上。

补片天线是一种相当窄频的天线。

在正方形结构里，一个线性的极化波向外辐射。

有许多方法可以达到馈线与阻抗匹配。

补片可与一个四分之一波长的高阻抗线匹配，或一条50奥姆线可延伸到补片的内部，如下图所示。

阻抗在中心点是最小的，且阻抗值是跟着轴长的增加而增加，所以尺寸的选择是以能得到支持50奥姆的点来决定的。

另一种馈线匹配法是将一同轴线的中心导体透过介电质，在适当的阻抗点接触到补片的底部。

补片的中心是经过此结构中的一个过孔（via）接地的，如下方的左图与中图所示。

当两边尺寸不同，形成长方形时，补片会产生圆形极化波，如上方的右图所示。

这是交叉式双极数组的模拟，而馈线是延着中心点到角落的对角线与补片连结着，为了达到阻抗匹配，必须为补片选择适当的尺寸。

孔径天线

孔径天线包括：

*开放式波导辐射器

*喇叭形（horn）与其他形状的波导辐射器

*喇叭形反射器天线

孔径天线的响应场型与孔径所产生的「远场绕射（farfielddiffraction）」场型相同。

远场场型的近似角宽度是θ=λ/D。

一个孔径天线的模型是：

在一个无限导电或吸收平面上有一直径D的孔径，且有一平面波由一侧射入。

绕射场型越过很大的距离投射在平行面上，将会有一个中央点，其直径是由场型的角宽度公式决定。

此模型如下图所示。

这是假设孔径的照射度是平均分布的（uniform）。

更精确地说，远场场型是分布在孔径各处的电场之傅立叶变换，并且考虑到孔径平面各处之振幅及相位的变动。

一个波导管的开口端变成了一个非常高效率的辐射器，如下图。

增加孔径的大小（改变喇叭形状）可以增加波导天线的增益。

圆形喇叭也被使用。

参见下图。

利用圆形极化器可制作一个圆形的喇叭天线，它可以辐射圆形的极化场型。

这个装置使用一个传输型极化器，把在长方形波导管中的线性极化，在正方形波导管输出端转换成圆形极化。

极化器结合了一种转换功能，从输入的长方形波导管（线性极化）转换成在45°

位置的正方形波导管。

两个相等且互相垂直的线性极化波，在正方形波导管内发射；

经由设定波导来使其中一个波有不同的相位速度，一个90°

相位关系在极化器全长四周被建立起来。

现在它就具有圆形极化场型，且从圆形喇叭中辐射出去。

如下图所示是一个有趣的天线之横切面，是将一个喇叭天线当成一个抛物面反射器（parabolicreflector）的一部份。

反射器的每一面被包在喇叭天线的延伸面里（在上图中，开口大的部位），变成类似盘子（dish）的形状，导致天线的旁波（sidelobe）变得很小。

Penzias与Wilson就是利用这种天线在贝尔实验室里，观察宇宙的背景微波（并赢得诺贝尔奖）。

下面列出了各式天线的近似指向性（增益）和远场边界以供参考：

反射器天线

反射器天线包括：

*平面反射器

*抛物面反射器

*球形反射器（例如：

Arecibo）

*多波束（multibeam）反射器天线

*使用电流天线做为反射器

可将一个电流天线（例如：

一个双极天线）放在一个导电平面前，来产生一个定向天线。

当间距为0.1-0.3λ时，一个λ/2双极天线的增益大约是6dB（这是6dBd的意思，也就是8dBi，因为一个双极天线的增益是2dBi）。

一个角落反射器（cornerreflector）增加了增益值。

当双极天线的间距为0.5λ时的增益是10dBd；

而当间距是1.5λ时，增益是13dBd。

利用抛物面圆柱状的反射器可以得到额外的增益，这种抛物面圆柱状的天线经常在移动电话基地台见到。

抛物面反射器天线

曲面的反射器，特别是抛物面反射器可提供更大的增益。

抛物面反射器天线的增益，本质上是与同直径之孔径天线相同的。

上图显示了在设计抛物面天线时，所需面对的取舍问题：

弧面对应的夹角和馈线的指向性。

如果给定一个直径与焦距长度，对弧面直径Ｄ所对应的夹角而言，此馈线场型太宽了，将造成能量大量溢出，导致增益减少且天线温度增高。

反之，如果所对应的夹角大于馈线的「半功率波束宽度（HalfPowerBeamWidth；

HPBW）」，将会导致照射度不一致，且在边缘部位会逐渐减弱，并伴随着辐射效益与增益的损失。

理想的做法是，将馈线的指向性和抛物面天线所对应的夹角相互匹配，这就是抛物面反射器的比率公式f/D。

因为减少能量的溢出量，故它可能会降低T多过于降低G，因而增加了G/T值，常见的选择是在抛物面天线的边缘，降低照射度10dB。

反射器馈线的结构

反射器必须在天线的焦点处提供讯号，其方法是利用任何的电流式或孔径式的辐射器。

馈给的位置可以在主焦点处，或者在那儿可以有一个副反射器，用来减少屏蔽（blockage）之所需以及免除要在焦距处支持馈线的复杂度。

实际的馈给位置是位在抛物面的中央，最大的优点是减少馈线的损失，并支撑重量。

有两种可行的副反射器结构：

Cassegrain结构是在焦距前使用一个凸面副反射器；

而Gregorian结构是在离焦距很远的地方使用一个凹面副反射器。

提供无线望远（radiotelescope）用途的天线则常使用Newtonian结构，它在焦距处放置一个小反射器，并将馈线置于主反射器的侧边。

反射器天线的馈给位置可能会偏移到抛物面区段的侧边，它的优点是减少屏蔽，并降低因能量溢出而产生的噪声。

拋物线增益在表面粗糙处降低

代表因表面粗操而使增益损失的方程式，是Ruze公式。

一个完美的抛物面天线之效能可以下式表示：

，这里的σ是表面粗操度的均方根值（rms），而λ是波长。

Kraus使用不同的方法，获得相似的结果：

kg=cos2（4πσ/λ）

当你希望抛物面天线达到其最大可能效能的90%时，可利用这些方程式。

反射器的表面须要有一个大约λ/40或更小的均方根误差。

λ/10的均方根误差将会降低增益至大约21%（-6.9dB），这是以理论最大值来计算。

多波束反射器

在没有失去大量的指向性之下，抛物面天线的馈给位置是不能偏移的。

然而，若馈给位置是用来去除球形像差（aberration），以恢复增益时，球形反射器可以被使用。

在波多黎各Arecibo天文观测站（参见http:

//www.coseti.org/arecibo.htm）的300公尺巨型碟形天线就是使用这种方法聚焦的。

它是一个有趣的反射器天线，它的一面是抛物面、另一面是球形，所以它有许多个馈给位置，对应到许多卫星形成多波束（multiplebeam）。

阵列天线

辐射元素的数组包括：

*驱动式双极数组（对数周期双极数组与相位数组）

*寄生式双极数组（八木－宇田数组）

*多极（multipole）槽型数组

辐射器的数组利用其个别元素，可以产生大量的增益。

数组的增益是数组因素与元素增益的乘积。

很多数组是在一个假设下设计的，此假设是：

馈给系统导致每一个元素都有一个规定的电流与相位。

这通常忽略了邻近双极元素之间的相互阻抗之影响。

前面已谈过可用四分之一波长的电线来馈给每一个元素，以致它们的电流都相等。

然而，使用一般的馈给法，想要得到极大的相位差是很困难的。

下图是两个半波双极的相互阻抗实例：

双极的垂直共线性数组

共线性双极数组（collineardipolearray）广泛地应用在单点对多点通讯上，双极的数组沿着垂直轴排列，提供集中于水平轴的场型，同时覆盖360°

的区域时。

下图表示半波双极数组在不同相角馈给，所产生的辐射场型。

为了避免失去亲密的「服务对象」（地面的发射机和接收机），天线馈给的相角通常是向外逐渐变尖的，并形成向下倾斜角，如下图所示的辐射场型。

这提供了「零充填（nullfilling）」的功能，且避免能量辐射到水平线以上，浪费了发射机的功率。

「零充填」是在辐射场型中填入「空值（nulls）」的过程，以避免在辐射覆盖区内，产生盲点（blindspots）。

对数周期双极数组天线

长度渐增的双极天线组可被普通的馈线馈给，产生一种数组天线，称为「对数周期双极数组（logperiodicdipolearray；

LPDA）」，它具有宽带的特性。

典型的电视天线是对数周期的，它利用每一双极天线之基本的和第三共振谐波来涵盖VHF电视频道的全部范围。

一个典型的「对数周期双极数组天线」如下图所示：

八木－宇田寄生式数组天线

另一个有趣的数组型态是使用寄生（非驱动的）双极元素，来产生一个高指向性的天线，称为「八木（Yagi）天线」，这是以其中一个创始者（八木和宇田都是日本人）的名字来命名。

这种天线普遍应用于HF、VHF和UHF通讯中，而且已经被广大地研究。

以下是一个2400MHz八木天线的例子：

线性与圆形极化

除了电波干扰和辐射能会以1/r2的公式减少以外，另一个电磁波特性是极化。

在一个辐射的电磁波上，电场的方向和传播的方向垂直，电场可能在任何一个方向，但必垂直于z轴上的传播向量（propagationvector）。

如果我们选择了一个x方向，并决定了必需的y方向，且y是垂直于x与z，我们可以将任意的电场极化，视为两个波在x和y方向上线性极化的线性合成。

如果这两个成份波的相位同步，其「合量（resultant）」是一个在x轴上任何角度的线性极化波。

如果两个成份波的相位不同步，则合量有极化现象，当两个成份波前进时，极化是环绕着z轴。

如果两个合成波的振幅相同，且相位差90°

，其合量是圆形极化。

然而，通常它们的相位和振幅都不同，其合量是椭圆极化。

圆形极化可能是右手或左手的圆形极化（右旋极化RHCP（right-handcircularlypolarized）或左旋极化LHCP（left-handcircularlypolarized）；

拇指指向传播方向，其余四指垂直于拇指的方向旋转）。

这是在物理课程中，我们都学过的。

天线通常以它们相对于地面（它们安装的位置）的极化角度来分析。

由于导体或介电质表面的不同反射特性，所以，垂直极化与水平极化的传播特性是不同的。

结语

射频/微波技术和电磁学是博大精深的，其中，天线技术更可以成为工程师一辈子研究的主题。